Миниатюрные алмазы образуют ультратонкие нанонити
Впервые ученые выяснили, как производить ультратонкие алмазные нанонити, которые обещают экстраординарные свойства, включая прочность и жесткость, намного больше, чем у сегодняшних самых сильных нанотрубок и полимеров. Открытие было сделано группой исследователей во главе с Джоном В. Бэддингом, профессором химии Университета Пенсильвании.
«С точки зрения фундаментальной науки, наше открытие интригующе, поскольку нити, образованные нами, имеют совершенно новую структуру», — сказал Бэддинг. Ядро нанонитей представляет собой длинную тонкую нить атомов углерода, расположенных так же, как в ячейке структуры алмаза – зигзагообразные кольца циклогексана из шести связанных атомов углерода, каждый из которых окружен другими атомами в форме тетраэдра. «Как будто искусный ювелир нанизал самые маленькие бриллианты в длинное миниатюрное ожерелье, добавил Бэддинг. — Поскольку эта алмазная нить расположена в сердцевине, мы ожидаем, что материал окажется чрезвычайно жестким, прочным и полезным».
Открытие команды произошло после почти столетних неудачных попыток других лабораторий сжать отдельные углеродсодержащие молекулы, как жидкий бензол, в упорядоченный алмазоподобный наноматериал. «Мы использовали высокое давление, чтобы сжать 6-миллиметровый материал бензола, — сказал Малькольм Гатри из Института науки Карнеги, соавтор научно-исследовательской работы. — Мы обнаружили, что медленный сброс давление после достаточного сжатия при нормальной комнатной температуре дает атомам углерода время, необходимое для реакции их друг с другом и соединения в высокоупорядоченные цепи углеродных тетраэдров, образующих эти алмазные нанонити».
Команда Бэддинга первой смогла соединить молекулы, содержащие атомы углерода, в устойчивую форму тетраэдра, затем связать каждый тетраэдр, чтобы сформировать длинные тонкие нанонити. Бэддинг описывает ширину нити как феноменально малую, всего несколько атомов в поперечнике, что в сотни тысяч раз меньше, чем оптическое волокно и намного тоньше человеческого волоса. Соавтор работы Вин Креспи предполагает, что это потенциально самый сильный, армированный материал, но при этом очень легкий.
Сжатая молекула бензола представляет собой плоское кольцо, содержащее шесть атомов углерода и шесть атомов водорода. Полученное алмазное ядро нанонити окружено ореолом атомов водорода. В процессе сжатия плоские молекулы бензола соединяются, изгибаются и разрываются на части. Затем, когда исследователи медленно выпускают давление, атомы повторно соединяются совершенно иным, но очень организованным способом. Результатом является структура, которая имеет углерод в тетраэдрической конфигурации алмаза с атомами водорода, висящими по сторонам, и каждый тетраэдр соединен с другим, формируя длинные тонкие нанонити.
Нанонити могут стать первым членом нового класса алмазоподобных наноматериалов на основе сильного четырехгранного ядра. «Наше открытие, основанное на использовании естественного выравнивания молекул бензола для формирования нового материала, открывает возможность создания других видов молекул на основе углерода и водорода, — сказал Бэддинг. – Можно будет присоединить другие виды атомов вокруг ядра углерода и водорода. Таким образом, можно сделать огромное количество различных материалов».
«Нашей мечтой является использование наноматериалов для создания суперсильных, легких кабелей, которые сделали бы возможным строительство «космического лифта», который до сих пор существовал только как научно-фантастическая идея», — сказал Бэддинг.